基于交流系统频率响应与电压特性的柔性直流控制策略优化研究及其在提升电网稳定性中的应用

《Results in Engineering》：Optimization Study of DC Flexible Control Strategy Based on Frequency Response and Voltage Characteristics of AC System

本文针对传统直流输电系统因独立于交流系统运行而引发的稳定性问题，推荐研究人员开展基于交流系统频率响应和电压特性的柔性直流控制策略优化研究。通过建立模块化多电平换流器(MMC)的拓扑模型，开发了交直流转换优化控制策略，并引入交流节点功率修正方程。实验结果表明，该方法显著提升了模块化多电平换流器1(MMC1)的功率传输能力，降低了MMC2过载风险，有效改善了系统频率和电压稳定性，为现代电力系统中直流输电系统的稳定高效运行提供了关键技术支撑。

　　

随着能源结构的优化和电网互联需求的增长，直流输电技术因其在远距离传输、大容量和低损耗方面的优势，在电力系统中变得越来越重要。然而，以晶闸管为基础的直流输电(LCC-HVDC)为代表的传统直流输电系统面临着几个关键挑战：首先，其换流站消耗大量无功功率，导致运行效率低下和损耗增加；其次，无法独立调节有功和无功功率限制了其对动态电网条件的灵活性和适应性；第三，对交流系统故障的高度敏感性可能引发不稳定甚至系统故障。根本问题在于传统直流输电系统与交流系统的独立控制，造成两者之间的协调困难。这种缺乏协调往往导致在多条件功率分配中忽视电网运行状态和换流站容量限制，使频率下垂系数选择复杂化，增加系统对小干扰的脆弱性，从而放大电压波动和频率偏差。

为了应对这些挑战，研究人员开展了广泛的研究。本文发表在《Results in Engineering》的研究旨在明确传统直流输电系统在协调交流系统动态方面的局限性，特别关注频率响应和电压稳定性问题，并开发了一种优化的柔性直流控制策略，将交流系统频率响应和电压特性集成到控制框架中；该策略根据实时交流系统条件动态调整下垂系数，以增强电能质量和系统稳定性，并通过20 kV仿真模型实验验证了其有效性，展示了在稳态和暂态条件下功率传输能力的改善、换流器过载风险的降低以及系统频率和电压稳定性的显著提升，从而为集成能源配电网中直流输电系统的稳定高效运行提供了坚实基础。

研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先，通过模块化多电平换流器(MMC)的拓扑分析，建立了柔性直流输电系统的数学模型；其次，利用逆变器模块实现灵活功率传输逻辑，并将交流节点功率修正方程纳入交流系统模型；第三，基于实时监测和分析交流系统的频率响应和电压特性，动态调整直流系统的下垂控制系数；最后，通过MATLAB/Simulink软件构建20 kV双端柔性直流配电系统仿真模型，验证控制策略的有效性，包括直流线路、换流站、同步发电机和负载模型的参数设置，以及稳态和暂态条件的测试。

2.1. 柔性直流输电系统的拓扑分析

通过分析基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网拓扑，研究了包括动态下垂系数调整、实时交流系统频率响应监测和电压调节参数优化在内的特定控制动作。研究涵盖了交流-直流和直流-交流转换过程的优化控制策略，并利用直流侧电容器、变压器、串联电抗器、交流谐波滤波器和MMC等关键组件，实现了系统结构的详细建模，为后续控制策略的开发奠定了基础。

2.2. 基于MMC模块的交直流灵活输电与调节

通过分析柔性直流输电系统的拓扑，详细描述了模块化多电平换流器(MMC)中的交直流转换过程，包括换流器和交流网络中的电流调节机制，涵盖了柔性交直流功率传输的完整控制框架。通过开关模型和数学逻辑，推导了换流器输出电压与交流系统中点电位的关系，并利用基尔霍夫电压定律(KVL)方程，建立了换流器输出端与交流系统之间的电压和电流数学关系，为控制策略的优化提供了理论依据。

2.3. 基于交流系统频率响应和电压特性的直流灵活控制策略优化

2.3.1. 交流系统的数学建模

通过将直流功率调制与交流电压波动之间的耦合关系引入交流系统数学模型，构建了完整的交流系统数学表达式。模型包括节点功率修正方程，考虑了自导纳、互导纳、电压幅值和相角差等参数，为稳态功率流分析和电压特性提取提供了基础。

2.3.2. 交流系统频率响应与电压特性提取

基于交流系统数学模型，利用复功率定义、欧姆定律和叠加原理进行稳态功率流分析，提取了交流系统的电压特性。通过将电气量转换到DQ旋转坐标系，分析了在公共连接点(PCC)电压恒定条件下，交流系统有功功率与有功电流之间的线性关系，并利用系统负载的静态频率特性，表达了交流系统负载的频率响应行为，为下垂系数的动态调整提供了依据。

2.3.3. 直流灵活下垂优化控制的实现

利用推导出的参数，以交流系统电压与频率响应特性的相关性作为优化准则，设计了直流灵活下垂优化控制策略。该策略通过基于实时交流系统条件动态调整下垂系数，确保换流站之间的平衡功率分配，提高频率稳定性，并在负载变化下最小化频率偏差；同时考虑直流功率调制与交流电压耦合，实现公共连接点(PCC)的精确电压调节，减少电压波动，保持稳定的电压分布；结合换流站容量限制和电网运行状态，降低功率限制违反风险，确保可靠运行；动态下垂系数调整与实时监控和反馈校正相结合，增加了系统灵活性和响应能力，便于快速适应负载和电网条件变化，从而提高可再生能源集成能力和整体电网稳定性；优化换流站之间的容量比例功率分配提高了系统效率，减少了传输损耗，促进了可持续和成本效益高的运行。

2.3.4. 换流站建造材料对系统性能的影响分析

研究了换流站建造材料的物理和电气特性对系统性能的影响，包括导体导电性、热消散能力、机械鲁棒性以及导体、绝缘体和结构支撑的热耐久性。通过采用纳米增强和纤维添加剂等材料工程方法，开发了高导电性复合导体、复合绝缘材料和轻质高强度结构复合材料，增强了换流站对暂态过电压的韧性，提高了整个直流输电系统在动态电网条件下的运行可靠性和效率。

2.3.5. 功率负载动态与组件磨损的相关性分析

建立了功率负载波动动态与反应器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等关键电气组件磨损机制之间的明确相关性。通过从材料科学中引入基于物理的磨损模型，预测了组件在直流输电系统中的寿命，实现了基于条件的维护策略，考虑了负载动态和材料特性，最终提高了系统可用性并降低了生命周期成本。

2.4. 模型建立与计算过程描述

在建立交流系统与直流系统相互作用的数学模型时，采用了线性化假设、稳态假设、节点参数恒定已知假设以及模块化多电平换流器(MMC)理想开关特性假设，以简化分析并提高计算效率。基于这些假设，通过引入带有直流功率调制与交流电压耦合关系的交流节点功率修正方程，构建了交流系统的完整数学模型。通过稳态功率流分析，提取了交流系统的电压特性，并利用系统负载的静态频率特性，表达了交流系统的频率响应行为。在多端高压直流(HVDC)网络中，由于需要处理和协调来自多个换流站的控制信号，计算复杂性显著增加，需要开发优化算法和潜在的分布式计算架构以满足数据处理需求。

实验分析部分通过MATLAB/Simulink软件构建了20 kV双端柔性直流配电系统仿真模型，验证了所提出控制优化策略的有效性和可靠性。模型包括45 km直流线路、两个模块化多电平换流器(MMC)站、两个同步发电机、Y连接变压器、直流滤波器和负载模型。控制系统采用分层结构，包括本地控制层和系统控制层，实现了所提出的直流-交流系统协调控制优化策略。通过稳态和暂态性能测试，结果表明优化控制策略在频率稳定性、电压调节质量、动态响应特性和运行安全裕度方面均有显著提升。

研究结论表明，通过集成交流系统频率响应和电压特性优化的柔性直流控制策略，有效解决了传统直流输电系统的稳定性问题。该策略通过动态调整下垂系数，实现了换流站之间的平衡功率分配，提高了频率和电压稳定性，降低了换流器过载风险，并改善了系统整体运行效率。实验验证显示，在稳态和暂态条件下，优化策略均能显著提升系统性能，为现代电力系统中直流输电系统的稳定高效运行提供了关键技术支撑。讨论部分强调了该策略在应对可再生能源并网和未来电网发展中的重要意义，为后续研究提供了方向。